JP2010141037A - 窒化ガリウム系半導体電子デバイス、窒化ガリウム系半導体電子デバイスを作製する方法、エピタキシャル基板、及びエピタキシャル基板を作製する方法 - Google Patents

Abstract

【課題】１×１０^１６ｃｍ^−３以下のキャリア濃度の領域でキャリア補償の影響を低減可能なエピタキシャル基板を提供する。
【解決手段】エピタキシャル基板Ｅは、窒化ガリウム基板１１及び窒化ガリウムエピタキシャル膜１３を備える。窒化ガリウム基板１１の主面１１ａにおいて、転位密度が１×１０^８ｃｍ^−２以下であるとき、窒化ガリウムエピタキシャル膜１３中の電子トラップの密度が低減される。窒化ガリウム基板主面１１ａのオフ角が０．３度以上であるとき、窒化ガリウムエピタキシャル膜１３は低い電子トラップの密度を有する。窒化ガリウムエピタキシャル膜１３が１×１０^１６ｃｍ^−３以下のドナー濃度及び３×１０^１５ｃｍ^−３以下のアクセプタ濃度を有するので、窒化ガリウムエピタキシャル膜１３における補償が低く、窒化ガリウムエピタキシャル膜に１×１０^１６ｃｍ^−３以下のキャリア濃度が提供される。
【選択図】図２

Description

本発明は、窒化ガリウム系半導体電子デバイス、窒化ガリウム系半導体電子デバイスを作製する方法、窒化ガリウム系半導体電子デバイスのためのエピタキシャル基板、及びエピタキシャル基板を作製する方法に関する。

特許文献１には、トリメチルガリウムから得られた窒化ガリウム薄膜が記載されている。トリメチルガリウム中の有機ケイ素化合物がＧａＮ膜のキャリア濃度に影響する。トリメチルガリウム中において全有機ケイ素化合物の濃度が１．０ｐｐｍ未満であるとき、ノンドープＧａＮのキャリア濃度を良好な再現性で１×１０^１６ｃｍ^−３以下に制御できる。窒化ガリウム薄膜の作製では、サファイア基板上に、摂氏４８５度で５０ｎｍのＧａＮバッファ層を成長した後に、厚さ３マイクロメートルのノンドープＧａＮ層を摂氏１０４０度で成長する。このノンドープＧａＮ層の空乏層容量をＣ−Ｖ測定により測定して、この測定値から見積もられたキャリア濃度は、測定下限（１×１０^１６ｃｍ^−３）以下である。

特許文献２には、III族窒化物系電子デバイスが記載されている。III族窒化物系電子デバイスでは、ドリフト層の炭素濃度が３×１０^１６ｃｍ^−３以下である。また、ドリフト層のシリコン濃度又はゲルマニウム濃度が３×１０^１６ｃｍ^−３以下である。

特許文献３には、窒化ガリウム化合物半導体の製造方法が記載されている。窒化ガリウム化合物半導体の成長温度よりも低温でサファイア基板上にバッファ層を形成する。このバッファ層上に、シリコンを含むガスを他の原料ガスと同時に供給して有機金属気相成長法により窒化ガリウム化合物半導体を成長する。この気相成長の過程において、シリコンを含むガスと他の原料ガスとの混合比率を制御することにより、ドナーとしてシリコン添加された窒化ガリウム化合物半導体の抵抗率を３×１０^−１Ω・ｃｍから８×１０^−３Ω・ｃｍの範囲の所望の値に制御する。
特開２００６−１１１５４６号公報 特開２００７−２９９７９３号公報 特開２００２−１００８０７号公報

窒化ガリウム膜のキャリア濃度に着目するとき、ドナーとアクセプタとの補償を利用して、低いキャリア濃度の窒化ガリウム膜を作製することができる。ドナー濃度及びアクセプタ濃度の両方をある程度に高くするとき、ドナー濃度とアクセプタ濃度との僅かな濃度差によって、窒化ガリウム膜のキャリア濃度が規定される。これとは対照的に、ドナー及びアクセプタのためのドーパントガスをいずれも意図的に供給せずに窒化ガリウム膜を作製するとき、ドナー及びアクセプタは、原料中に含まれる不純物に由来する。

特許文献１は、トリメチルガリウム中の有機ケイ素化合物がＧａＮ膜のキャリア濃度に影響することを開示している。しかしながら、窒化ガリウムは、サファイア基板上に成長されるので、窒化ガリウム中の転位の影響を避けることができない。特許文献１はアクセプタ濃度について何らの言及もない。特許文献３は、ドーパントガスの添加により窒化ガリウムの抵抗率を制御している。窒化ガリウムは、サファイア基板上に成長されるので、窒化ガリウムの転位の影響を避けることができない。

したがって、これらの特許文献は、１×１０^１６ｃｍ^−３以下のキャリア濃度の窒化ガリウム膜について詳細に言及していない。

窒化ガリウム系半導体デバイスの応用分野として、パワー系の電子デバイスが研究されている。パワー系の電子デバイスは、１×１０^１６ｃｍ^−３程度以下の有効キャリア濃度の窒化ガリウム膜を必要としている。このキャリア濃度の範囲では、発明者らの検討によれば、キャリア濃度はキャリア補償に敏感であり、これ故に、様々な面におけるキャリア補償を低減することは重要である。

発明者らの知見によれば、窒化ガリウム膜の成長において代表的なドナーは酸素やシリコン等であり、代表的なアクセプタは炭素等である。窒化ガリウムの成長では、炭素アクセプタの出所は、有機金属原料それ自体であり、シリコンドナーの出所は、有機金属原料に含まれる不純物である。また、酸素ドナーの出所は、大気に暴露されたチャンバの残留物であると考えられる。さらに、キャリアは窒化ガリウム中に欠陥にもトラップされる。発明者らは、キャリア補償の影響に関して１×１０^１６ｃｍ^−３以下のキャリア濃度は未知の領域であると考えている。

本発明は、上記の事情を鑑みて為されたものであり、１×１０^１６ｃｍ^−３以下のキャリア濃度の範囲でキャリア補償の影響を低減可能な窒化ガリウム系半導体電子デバイスを提供することを目的とし、またこの窒化ガリウム系半導体電子デバイスを作製する方法を提供することを目的とし、さらに該窒化ガリウム系半導体電子デバイスのためのエピタキシャル基板を提供することを目的とし、さらにまた、このエピタキシャル基板を作製する方法を提供することを目的とする。

本発明の一側面は、窒化ガリウム系半導体電子デバイスのためのエピタキシャル基板を作製する方法である。この方法は、（ａ）窒化ガリウム基板を準備する工程と、（ｂ）前記窒化ガリウム基板を成長炉に配置した後に、前記成長炉に有機ガリウム原料及び窒素原料を供給して、１×１０^１６ｃｍ^−３以下のキャリア濃度を有する窒化ガリウムエピタキシャル膜を前記窒化ガリウム基板の主面上に成長する工程とを備える。前記窒化ガリウム基板の前記主面の法線と前記窒化ガリウム基板のｃ軸との成す角度は０．３度以上であり、前記窒化ガリウム基板の転位密度は１×１０^８ｃｍ^−２以下であり、前記窒化ガリウムエピタキシャル膜はドナー及びアクセプタを含み、前記ドナーはシリコンを含み、前記シリコンの濃度は１×１０^１６ｃｍ^−３以下であり、前記アクセプタの濃度は３×１０^１５ｃｍ^−３以下である。

この方法によれば、１×１０^１６ｃｍ^−３以下のキャリア濃度を有する窒化ガリウムエピタキシャル膜を得ることができる。このために、１×１０^８ｃｍ^−２以下の転位密度及び０．３度以上の傾斜角の主面を有する窒化ガリウム基板を用いて、１×１０^１６ｃｍ^−３以下のドナー濃度（シリコン濃度）及び３×１０^１５ｃｍ^−３以下のアクセプタ濃度を有する窒化ガリウムエピタキシャル膜を成長する。

本発明に係る方法では、前記有機ガリウム原料と前記窒素原料との供給モル比（［Ｖ］／［III］）は１２５０以上であり、前記窒化ガリウムエピタキシャル膜の成長温度は摂氏１０５０度以上であり、前記成長炉の圧力は２００Ｔｏｒｒ以上であることができる。

この方法によれば、上記のように高い供給モル比を用いることによって、Ｖ族サイトを占める炭素量を低減できる。上記のように高い圧力に成長炉を保つことによって、有機金属原料の分解を促進できる。この促進によって、炭素が、堆積中の窒化ガリウムにガリウム原子と共に取り込まれることを低減できる。上記のように高い温度に成長炉を保つことによって、有機金属原料の分解を促進できる。この高温の成長によって、メチル基といった炭化水素フラグメントがガリウム原子から離脱しやすくなる。これらの条件によって、窒化ガリウムエピタキシャル膜中においてアクセプタとして作用する炭素量を低減できる。

本発明に係る方法では、前記有機ガリウム原料におけるＳｉ含有量は５ｐｐｂ以下であることができる。この方法によれば、アクセプタ性の不純物及び欠陥を低減できる成膜条件では、堆積中の窒化ガリウムにＳｉが取り込まれやすい。これ故に、窒化ガリウムエピタキシャル膜中のＳｉ濃度は、有機ガリウム原料におけるＳｉ含有量に敏感である。したがって、有機ガリウム原料におけるＳｉ含有量は、ｐｐｍオーダーの不純物量ではなく、５ｐｐｂ以下であることがよい。

本発明に係る方法では、前記有機ガリウム原料におけるＳｉ含有量は１ｐｐｂ以下であり、前記窒化ガリウムエピタキシャル膜のキャリア濃度は５×１０^１５ｃｍ^−３以下であることができる。この方法によれば、有機ガリウム原料におけるＳｉ含有量が少ないので、１×１０^１６ｃｍ^−３以下のキャリア濃度を有する窒化ガリウムエピタキシャル膜においてキャリアの制御が可能になる。

本発明に係る方法では、前記窒化ガリウムエピタキシャル膜の成長は、前記成長炉にｎ型ドーパントガスを供給することなく行われ、前記窒化ガリウムエピタキシャル膜はアンドープであることができる。

この方法によれば、アンドープ窒化ガリウムエピタキシャル膜を得ることができる。

本発明に係る方法では、前記窒化ガリウムエピタキシャル膜の成長は、前記有機ガリウム原料及び前記窒素原料とは別にｎ型ドーパントを前記成長炉に供給しながら行われ、前記ｎ型ドーパントは、シラン系化合物、有機シリコン化合物、酸素及びゲルマンの少なくともいずれかを含み、前記ｎ型ドーパントは、キャリアガスを用いて５ｐｐｍ以下に希釈された後に、前記成長炉に供給されており、前記キャリアガスは、水素、窒素及び希ガスの少なくともいずれかを含むことができる。

この方法によれば、ｎ型ドーパントを用いて、窒化ガリウムエピタキシャル膜においてキャリアの制御が可能になる。

本発明に係る方法では、前記希釈は多段希釈法を用いて行われることができる。この方法によれば、多段希釈法を用いて、５ｐｐｍ以下でのｎ型ドーパントの希釈を安定して提供できる。

本発明に係る方法では、前記窒化ガリウムエピタキシャル膜の移動度は１０００ｃｍ^２Ｖ^−１ｓｅｃ^−１以上であることができる。

この方法によれば、低い補償によりアクセプタ及びドナーによるイオン性散乱が低減されるので、窒化ガリウムエピタキシャル膜は高い移動度を有する。

本発明の別の側面は、窒化ガリウム系半導体電子デバイスのためのエピタキシャル基板である。このエピタキシャル基板は、（ａ）窒化ガリウム基板と、（ｂ）前記窒化ガリウム基板の前記主面上に設けられ、１×１０^１６ｃｍ^−３以下のキャリア濃度を有する窒化ガリウムエピタキシャル膜とを備えることができる。前記窒化ガリウム基板の前記主面の法線と前記窒化ガリウム基板のｃ軸との成す角度は０．３度以上であり、前記窒化ガリウム基板の転位密度は１×１０^８ｃｍ^−２以下であり、前記窒化ガリウムエピタキシャル膜はドナー及びアクセプタを含み、前記ドナーはシリコンを含み、前記シリコンの濃度は１×１０^１６ｃｍ^−３以下であり、前記アクセプタの濃度は３×１０^１５ｃｍ^−３以下である。

このエピタキシャル基板によれば、窒化ガリウム基板上に設けられた窒化ガリウムエピタキシャル膜において、窒化ガリウム基板が１×１０^８ｃｍ^−２以下の転位密度の主面を有するとき、窒化ガリウムエピタキシャル膜中の電子トラップの密度が低減される。また、窒化ガリウム基板が０．３度以上の傾斜角の主面を有するとき、窒化ガリウムエピタキシャル膜は低い電子トラップの密度を有し、これは、成膜中の三次元成長による結晶欠陥の発生が低減されることに因り、アクセプタ性不純物の取り込み量も低減される。窒化ガリウムエピタキシャル膜が１×１０^１６ｃｍ^−３以下のドナー濃度（シリコン濃度）及び３×１０^１５ｃｍ^−３以下のアクセプタ濃度を有するので、窒化ガリウムエピタキシャル膜における補償が低くなり、この結果、１×１０^１６ｃｍ^−３以下のキャリア濃度の窒化ガリウムエピタキシャル膜が提供される。

本発明のエピタキシャル基板では、前記窒化ガリウムエピタキシャル膜の厚さは３マイクロメートル以上であることができる。また、前記窒化ガリウムエピタキシャル膜の厚さは１００マイクロメートル以下であることができる。

本発明のエピタキシャル基板では、前記アクセプタは炭素を含むことができる。このエピタキシャル基板によれば、アクセプタ性不純物として、炭素が窒化ガリウムエピタキシャル膜中に取り込まれている。窒化ガリウム基板が０．３度以上の傾斜角の主面を有するとき、窒化ガリウムエピタキシャル膜中における炭素取り込み量が低減される。

本発明のエピタキシャル基板では、前記アクセプタの濃度は１×１０^１５ｃｍ^−３以下であることができる。このエピタキシャル基板によれば、窒化ガリウムエピタキシャル膜における補償がさらに低くなるので、窒化ガリウムエピタキシャル膜におけるキャリア濃度の制御性が増す。

本発明のエピタキシャル基板では、前記窒化ガリウムエピタキシャル膜の移動度は１０００ｃｍ^２Ｖ^−１ｓｅｃ^−１以上であることができる。このエピタキシャル基板によれば、低い補償によりアクセプタ及びドナーによるイオン性散乱が低減されるので、窒化ガリウムエピタキシャル膜は高い移動度を有する。

本発明のエピタキシャル基板では、前記窒化ガリウムエピタキシャル膜の前記キャリア濃度は５×１０^１５ｃｍ^−３以下であり、前記シリコンの濃度は５×１０^１５ｃｍ^−３以下であり、前記アクセプタの濃度は前記シリコンの濃度の０．３倍以下であることができる。このエピタキシャル基板によれば、優れたキャリア濃度制御性を有する窒化ガリウムエピタキシャル膜が提供される。

本発明の更なる別の側面は、窒化ガリウム系半導体電子デバイスを作製する方法である。この方法は、（ａ）窒化ガリウム基板を準備する工程と、（ｂ）前記窒化ガリウム基板を成長炉に配置した後に、前記成長炉に有機ガリウム原料及び窒素原料を供給して、１×１０^１６ｃｍ^−３以下のキャリア濃度を有する窒化ガリウムエピタキシャル膜を前記窒化ガリウム基板の主面上に成長する工程とを備える。前記窒化ガリウム基板の前記主面の法線と前記窒化ガリウム基板のｃ軸との成す角度は０．３度以上であり、前記窒化ガリウム基板の転位密度は１×１０^８ｃｍ^−２以下であり、前記窒化ガリウムエピタキシャル膜はドナー及びアクセプタを含み、前記ドナーはシリコンを含み、前記シリコンの濃度は１×１０^１６ｃｍ^−３以下であり、前記アクセプタの濃度は３×１０^１５ｃｍ^−３以下である。

この方法によれば、１×１０^１６ｃｍ^−３以下のキャリア濃度を有する窒化ガリウムエピタキシャル膜の成長を行うためには、１×１０^８ｃｍ^−２以下の転位密度及び０．３度以上の傾斜角の主面を有する窒化ガリウム基板を用いて、１×１０^１６ｃｍ^−３以下のドナー濃度（シリコン濃度）及び３×１０^１５ｃｍ^−３以下のアクセプタ濃度を有する窒化ガリウムエピタキシャル膜を成長する。これ故に、１×１０^１６ｃｍ^−３以下のキャリア濃度において、デバイス特性に応じてキャリア濃度を調整できる。

本発明のまた更なる別の側面は、窒化ガリウム系半導体電子デバイスである。この窒化ガリウム系半導体電子デバイスは、（ａ）窒化ガリウム支持基体と、（ｂ）前記窒化ガリウム支持基体の主面上に設けられ、一又は複数の窒化ガリウム系半導体層を含む半導体積層とを備える。前記半導体積層は、１×１０^１６ｃｍ^−３以下のキャリア濃度を有する窒化ガリウムエピタキシャル領域を含み、前記窒化ガリウムエピタキシャル領域は前記窒化ガリウム基板とホモ接合を成し、前記窒化ガリウム支持基体の前記主面の法線と前記窒化ガリウム支持基体のｃ軸との成す角度は０．３度以上であり、前記窒化ガリウム支持基体の転位密度は１×１０^８ｃｍ^−２以下であり、前記窒化ガリウムエピタキシャル領域はドナー及びアクセプタを含み、前記ドナーはシリコンを含み、前記シリコンの濃度は１×１０^１６ｃｍ^−３以下であり、前記アクセプタの濃度は３×１０^１５ｃｍ^−３以下である。

この窒化ガリウム系半導体電子デバイスによれば、窒化ガリウムエピタキシャル領域は、優れたキャリア濃度制御性と低いキャリア補償とを有する。これ故に、１×１０^１６ｃｍ^−３以下のキャリア濃度において、デバイス特性に応じてキャリア濃度を調整できる。

本発明の窒化ガリウム系半導体電子デバイスは、前記窒化ガリウムエピタキシャル領域にショットキ接合を成す電極を更に備えることができる。当該窒化ガリウム系半導体電子デバイスはショットキダイオードを含む。

この窒化ガリウム系半導体電子デバイスによれば、１×１０^１６ｃｍ^−３以下のキャリア濃度範囲において、デバイス特性に応じて、ショットキダイオードの窒化ガリウムエピタキシャル領域のキャリア濃度は調整できる。

本発明の窒化ガリウム系半導体電子デバイスは、前記窒化ガリウムエピタキシャル領域上に設けられた別の窒化ガリウムエピタキシャル領域と、前記半導体積層の前記窒化ガリウムエピタキシャル領域にオーミック接合を成す電極とを更に備えることができる。前記別の窒化ガリウムエピタキシャル領域は前記窒化ガリウムエピタキシャル領域の導電型と反対の導電型を有しており、前記窒化ガリウムエピタキシャル領域は前記別の窒化ガリウムエピタキシャル膜とｐｎ接合を成し、当該窒化ガリウム系半導体電子デバイスはｐｎ接合ダイオードを含む。

この窒化ガリウム系半導体電子デバイスによれば、ｐｎ接合ダイオードの窒化ガリウムエピタキシャル領域では、１×１０^１６ｃｍ^−３以下のキャリア濃度において、デバイス特性に応じてキャリア濃度が調整可能である。

本発明の窒化ガリウム系半導体電子デバイスは、第１の窒化ガリウム系半導体からなるソース領域と、第２の窒化ガリウム系半導体からなるウエル領域と、前記ウエル領域上に設けられた絶縁膜と、前記ウエル領域及び前記絶縁膜上に設けられたゲート電極と、前記ソース領域上に設けられたソース電極と、前記窒化ガリウム支持基体の裏面に設けられたドレイン電極とを備えることができる。前記窒化ガリウムエピタキシャル領域はドリフト領域であり、前記ソース領域は前記ウエル領域によって前記ドリフト領域から隔置され、当該窒化ガリウム系半導体電子デバイスは縦型ＭＩＳトランジスタを含む。

この窒化ガリウム系半導体電子デバイスによれば、１×１０^１６ｃｍ^−３以下のキャリア濃度において、デバイス特性に応じて、縦型ＭＩＳトランジスタの窒化ガリウムエピタキシャル領域のキャリア濃度を調整できる。

本発明の窒化ガリウム系半導体電子デバイスでは、前記窒化ガリウムエピタキシャル領域の移動度は１０００ｃｍ^２Ｖ^−１ｓｅｃ^−１以上であることができる。この窒化ガリウム系半導体電子デバイスによれば、低いオン抵抗を提供できる。

本発明に係る側面は、窒化ガリウム系半導体電子デバイスのためのエピタキシャル基板を作製する方法である。この方法は、（ａ）窒化ガリウム基板を準備する工程と、（ｂ）希釈されたｎ型ドーパント、有機ガリウム原料及び窒素原料を成長炉に供給して、窒化ガリウムエピタキシャル膜を前記窒化ガリウム基板の主面上に成長する工程と、（ｃ）一又は複数の別の窒化ガリウム基板の準備と、前記希釈されたｎ型ドーパントの供給量を変更して、前記別の窒化ガリウム基板の主面上への別の窒化ガリウムエピタキシャル膜の成長とを繰り返す工程と、（ｄ）前記窒化ガリウムエピタキシャル膜及び前記別の窒化ガリウムエピタキシャル膜のキャリア濃度を見積もると共に、１×１０^１６ｃｍ^−３以下のキャリア濃度の範囲において、該キャリア濃度と前記ｎ型ドーパントの供給量との関係を近似する一次式を得る工程と、（ｅ）前記一次式を参照して、所望のキャリア濃度を提供するｎ型ドーパントの供給量を決定する工程と、（ｆ）更なる別の窒化ガリウム基板を準備する工程と、（ｇ）前記決定された供給量のｎ型ドーパント、有機ガリウム原料及び窒素原料を成長炉に供給して、更なる別の窒化ガリウムエピタキシャル膜を前記更なる別の窒化ガリウム基板の主面上に成長する工程と
を備える。前記有機ガリウム原料におけるＳｉ含有量は５ｐｐｂ以下である。前記窒化ガリウム基板、別の窒化ガリウム基板及び更なる別の窒化ガリウム基板の各々は、１×１０^８ｃｍ^−２以下の転位密度を有する。前記窒化ガリウム基板、別の窒化ガリウム基板及び更なる別の窒化ガリウム基板の各主面の法線は窒化ガリウムのｃ軸と０．３度以上の角度を成す。前記窒化ガリウムエピタキシャル膜、前記別の窒化ガリウムエピタキシャル膜、及び前記更なる別の窒化ガリウムエピタキシャル膜の各々は１×１０^１６ｃｍ^−３以下のキャリア濃度を有する。前記窒化ガリウムエピタキシャル膜、別の窒化ガリウムエピタキシャル膜及び更なる別の窒化ガリウムエピタキシャル膜の各々はドナー及びアクセプタを含む。前記ドナーはシリコンを含み、前記シリコンの濃度は１×１０^１６ｃｍ^−３以下であり、前記アクセプタの濃度は３×１０^１５ｃｍ^−３以下である。

この方法によれば、１×１０^１６ｃｍ^−３以下のキャリア濃度の範囲でキャリア濃度が制御された窒化ガリウムエピタキシャル膜を形成できる。

本発明の上記の目的および他の目的、特徴、並びに利点は、添付図面を参照して進められる本発明の好適な実施の形態の以下の詳細な記述から、より容易に明らかになる。

以上説明したように、本発明の一側面によれば、１×１０^１６ｃｍ^−３以下のキャリア濃度の範囲でキャリア補償の影響を低減可能な窒化ガリウム系半導体電子デバイスが提供される。また、本発明の別の側面によれば、この窒化ガリウム系半導体電子デバイスを作製する方法が提供され、さらに、本発明の更なる別の側面によれば、該窒化ガリウム系半導体電子デバイスのためのエピタキシャル基板が提供される。さらにまた、本発明のまた更なる別の側面によれば、このエピタキシャル基板を作製する方法が提供される。

本発明の知見は、例示として示された添付図面を参照して以下の詳細な記述を考慮することによって容易に理解できる。引き続いて、添付図面を参照しながら、本発明の窒化ガリウム系半導体電子デバイス、この窒化ガリウム系半導体電子デバイスのためのエピタキシャル基板、並びに窒化ガリウム系半導体電子デバイス及びエピタキシャル基板を作製する方法に係る実施の形態を説明する。可能な場合には、同一の部分には同一の符号を付する。

図１は、本実施の形態に係る窒化ガリウム系半導体電子デバイス及びエピタキシャル基板を作製する方法における主要な工程を示す図面である。図２は、エピタキシャル基板を作製する方法における主要な工程を概略的に示す図面である。工程Ｓ１０１では、図２（ａ）に示されるように、窒化ガリウム基板１１を準備する。窒化ガリウム基板１１は主面１１ａ及び裏面１１ｂを有する。図２（ａ）を参照すると、代表的なｃ面Ｓｃが示されており、ｃ面Ｓｃと主面１１ａとは角度Ａ_ＯＦＦを成す。窒化ガリウム基板１１の主面１１ａの法線（「法線ベクトルＶＮ」で表される）と窒化ガリウム基板１１のｃ軸（「ｃ軸ベクトルＶＣ」で表される）との成す角度Ａ_ＯＦＦは０．３度以上である。この角度Ａ_ＯＦＦは主面１１ａの全体にわたって満たされる。また、窒化ガリウム基板１１の転位密度は１×１０^８ｃｍ^−２以下である。この転位密度は、例えば溶融水酸化カリウムによるエッチング法により見積もることができる。また、この転位密度は１×１０^７ｃｍ^−２以下であるとき、さらにキャリア濃度の制御性が増す。

工程Ｓ１０２では、窒化ガリウム系半導体電子デバイスのためのエピタキシャル基板を有機金属気相成長法で作製する。図２（ｂ）に示されるように、工程Ｓ１０３では、窒化ガリウム基板１１を成長炉１０のサセプタ１０ａ上に配置する。必要な場合には、水素及びアンモニアを含むガスＧ０を供給した雰囲気中で、窒化ガリウム基板１１を熱処理する。この熱処理により、エピタキシャル成長のための前処理が温度Ｔ_ＴＣで窒化ガリウム基板１１の主面１１ａに施される。温度Ｔ_ＴＣは例えば摂氏１１００度である。次いで、図２（ｃ）に示されるように、工程Ｓ１０４では、有機ガリウム原料及び窒素原料を含む原料ガスＧ１を成長炉１０に供給して、１×１０^１６ｃｍ^−３以下のキャリア濃度を有する窒化ガリウムエピタキシャル膜１３を主面１１ａ上に成長する。窒素原料は、例えばアンモニア（ＮＨ_３）、アミン系ガス等であることができる。有機ガリウム原料は、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリエチルガリウム（ＴＥＧ）等であることができる。有機ガリウム原料は、高度に精製されたものを用い、シリコンといった不純物が低減されたものを準備する。

例えば、原料ガスＧ１がドーパントガスを含まないときでも、窒化ガリウムエピタキシャル膜１３はドナー及びアクセプタを含む。このアクセプタの濃度は例えば３×１０^１５ｃｍ^−３以下である。アクセプタは、例えば炭素原子等である。また、主要なドナーの一つは、例えばシリコンであることができる。このシリコン濃度は例えば１×１０^１６ｃｍ^−３以下である。なお、真性キャリア濃度と共にキャリアの補償を低減できるので、添加量を制御したドーパントガスを原料ガスＧ１に加えることによって、１×１０^１６ｃｍ^−３以下のキャリア濃度において、窒化ガリウムエピタキシャル膜１３のキャリア濃度を制御できる。

上記の方法によれば、１×１０^８ｃｍ^−２以下の転位密度及び０．３度以上の傾斜角の主面を有する窒化ガリウム基板１１を用いて、１×１０^１６ｃｍ^−３以下のドナー濃度及び３×１０^１５ｃｍ^−３以下のアクセプタ濃度を有する窒化ガリウムエピタキシャル膜を成長することによって、１×１０^１６ｃｍ^−３以下のキャリア濃度を有する窒化ガリウムエピタキシャル膜１３を成長できる。

窒化ガリウムエピタキシャル膜１３の成長条件は例えば以下のものを用いることができる。有機ガリウム原料と窒素原料との供給モル比（［Ｖ］／［III］）は１２５０以上であることができる。高い供給モル比を用いることによって、Ｖ族サイトを占める炭素量を低減できる。供給モル比（［Ｖ］／［III］）は１００００以下であることができる。供給モル比（［Ｖ］／［III］）が高過ぎると今度は、III族の空孔が発生し、また反応に寄与しない窒素原料を無駄にすることにもなり経済的でないため不適当である。また、成長炉１０の圧力Ｐ１は２００Ｔｏｒｒ以上であることができる。高い圧力に成長炉１０を保つことによって、有機金属原料の分解を促進できる。この促進によって、炭素が、堆積中の窒化ガリウムに、ガリウム原子と共に取り込まれることを低減できる。圧力Ｐ１は７８０Ｔｏｒｒ以下であることができる。７８０Ｔｏｒｒを超えるとチャンバーが加圧状態になり不適当である。さらに、窒化ガリウムエピタキシャル膜１３の成長温度Ｔ１は摂氏１０５０度以上であることができる。高い温度に成長炉を保つことによって、有機金属原料の分解を促進できる。この高温の成長によって、メチル基といった炭化水素フラグメントがガリウム原子から離脱しやすくなる。温度Ｔ１は摂氏１３００度（℃）以下であることができる。摂氏１３００度になると窒化ガリウムの分解がはじまるからである。この方法によれば、これらの条件によって、窒化ガリウムエピタキシャル膜１３中においてアクセプタとして作用する炭素量を低減できる。

発明者らの知見によれば、アクセプタ性の不純物及び欠陥を低減できる成膜条件では、堆積中の窒化ガリウムにＳｉが取り込まれやすい。これ故に、窒化ガリウムエピタキシャル膜中のＳｉ濃度は、有機ガリウム原料におけるＳｉ含有量に敏感である。したがって、有機ガリウム原料におけるＳｉ含有量は、ｐｐｍオーダーの不純物ではなく、５ｐｐｂ以下であることがよい。Ｖ属原料として用いるアンモニアは不純物として水分等を含み、この水分の含有量は例えば１ｐｐｂ以下である。

また、有機ガリウム原料におけるＳｉ含有量は１ｐｐｂ以下であることができる。窒化ガリウムエピタキシャル膜１３のキャリア濃度は５×１０^１５ｃｍ^−３以下であることができる。有機ガリウム原料におけるＳｉ含有量が少ないので、１×１０^１６ｃｍ^−３以下のキャリア濃度を有する窒化ガリウムエピタキシャル膜においてキャリアの制御が可能になる。

上記の成膜条件を用いる成長において、窒化ガリウムエピタキシャル膜１３の成膜中に成長炉１０に、有機ガリウム原料及び窒素原料とは別に、ｎ型ドーパントガスが供給されないとき、窒化ガリウムエピタキシャル膜１３はアンドープであることができる。

また、上記の成膜条件を用いる成長において、窒化ガリウムエピタキシャル膜１３の成長中に成長炉１０にｎ型ドーパントが供給されるとき、ｎ型ドーパントは、キャリアガスを用いて５ｐｐｍ以下に希釈された後に成長炉１０に供給されることができる。既に説明したように真性キャリア濃度の低減と共にキャリアの補償を低減できるので、ｎ型ドーパントガスを制御しながら成長炉１０に供給することによって、窒化ガリウムエピタキシャル膜１３においてキャリアの制御が可能になる。ｎ型ドーパントは、シラン系化合物、有機シリコン化合物、酸素及びゲルマンの少なくともいずれかを含むことができる。キャリアガスは、水素、窒素及び希ガスの少なくともいずれかを含むことができる。

ｎ型ドーパントガス供給の制御は、例えば多段希釈法を用いて行われることができる。この方法によれば、多段希釈法を用いて、５ｐｐｍ以下のｎ型ドーパントの希釈を安定して提供できる。発明者らの実験によれば、マスフローコントローラを２段にカスケード接続してｎ型ドーパントを希釈することによって、３ｐｐｍ以下の濃度にｎ型ドーパント（例えば、モノシラン、モノメチルシラン等）を希釈できる。

この方法により成膜された窒化ガリウムエピタキシャル膜１３は、１０００ｃｍ^２Ｖ^−１ｓｅｃ^−１以上の移動度を有する。窒化ガリウムエピタキシャル膜１３内における低い補償の実現によりアクセプタ及びドナーによるイオン性散乱が低減される。このため、窒化ガリウムエピタキシャル膜１３は高い移動度を有すると考えられる。

窒化ガリウムエピタキシャル膜１３の厚さは３マイクロメートル以上であることができる。窒化ガリウムエピタキシャル膜１３には、電子デバイスに求められる耐圧を得るために、少なくとも３マイクロメートル以上の厚さが求められる。また、高オフ角付きＧａＮ面へのＧａＮの堆積では、結晶成長の進行に伴い転位密度が低減される。結晶成長の進行に伴い転位密度が低減されるので、窒化ガリウムエピタキシャル膜１３を基板主面１１ａの法線の方向に順に配列された第１〜第３の半導体層１４ａ、１４ｂ、１４ｃに分けるとき、第３の半導体層１４ｃの転位密度は第１の半導体層１４ａの転位密度よりも小さい。また、第２の半導体層１４ｂの転位密度は窒化ガリウム基板１１の転位密度よりも小さい。窒化ガリウムエピタキシャル膜１３の転位密度は１×１０^８ｃｍ^−２以下であることができる。また、窒化ガリウムエピタキシャル膜１３の厚さは１００マイクロメートル以下であることができる。窒化ガリウムは絶縁破壊電圧が高く、１００マイクロメートルの厚みで１００００Ｖの耐圧を実現できるので、１００マイクロメートル以上の厚みは実用上必要としない。

図１に示される工程Ｓ１０５では、必要であるとき、追加のＧａＮ系半導体膜の成長及び／又は、ＧａＮエピタキシャル膜の加工を行う。工程Ｓ１０６では、エピタキシャル基板Ｅを成長炉１０から取り出す。これらの工程によって、図２（ｃ）に示されるように、窒化ガリウム系半導体電子デバイスのためのエピタキシャル基板Ｅが作製される。エピタキシャル基板Ｅは、窒化ガリウム基板１１及び窒化ガリウムエピタキシャル膜１３を備えることができる。窒化ガリウムエピタキシャル膜１３は、窒化ガリウム基板１１の主面１１ａ上に設けられており、１×１０^１６ｃｍ^−３以下のキャリア濃度を有する。このエピタキシャル基板Ｅによれば、窒化ガリウム基板１１の主面１１ａにおいて、転位密度が１×１０^８ｃｍ^−２以下であるとき、窒化ガリウムエピタキシャル膜１３中の電子トラップの密度が低減される。また、窒化ガリウム基板主面１１ａにおけるオフ角が０．３度以上であるとき、窒化ガリウムエピタキシャル膜１３は、低い電子トラップの密度を有し、これは、成膜中の三次元成長による結晶欠陥の発生が低減されること、及びアクセプタ性不純物の取り込み量も低減されることによる。また、オフ角度は８５度以下であることができる。窒化ガリウムエピタキシャル膜１３が１×１０^１６ｃｍ^−３以下のドナー濃度（シリコン濃度）及び３×１０^１５ｃｍ^−３以下のアクセプタ濃度を有するので、窒化ガリウムエピタキシャル膜１３における補償が低くなり、この結果、窒化ガリウムエピタキシャル膜に１×１０^１６ｃｍ^−３以下のキャリア濃度が提供される。

また、アクセプタの濃度は１×１０^１５ｃｍ^−３以下であることができる。この窒化ガリウムエピタキシャル膜１３では、キャリア補償がさらに低くなるので、優れたキャリア制御性が、窒化ガリウムエピタキシャル膜１３に提供される。窒化ガリウムエピタキシャル膜１３では、成膜中に不可避的に取り込まれた炭素だけでなく、成膜中に生成されたＧａ空孔もアクセプタとして作用する。上記の成膜条件で、Ｇａ空孔の低減にも有効である。

エピタキシャル基板Ｅでは、窒化ガリウムエピタキシャル膜１３のキャリア濃度は５×１０^１５ｃｍ^−３以下であることができる。シリコンの濃度は２×１０^１５ｃｍ^−３以下であり、アクセプタの濃度はシリコンの濃度の０．３倍以下であることができ、この比率が０．３倍以下であればさらによい。このエピタキシャル基板Ｅによれば、窒化ガリウムエピタキシャル膜１３に、優れたキャリア濃度制御性が提供される。

工程Ｓ１０７では、窒化ガリウム系半導体電子デバイスのための電極をエピタキシャル基板Ｅ上に形成する。窒化ガリウム系半導体電子デバイスとして、ショットキダイオード、ｐｎ接合ダイオード、縦型電界効果トランジスタ等を作製できる。

（実施例１）
ｃ面から傾斜した主面を有するＧａＮウエハを準備し、ＧａＮウエハ主面のオフ角はＸ線回折法により同定した。ＧａＮウエハ主面の転位密度は５×１０^＋７ｃｍ^−２であった。ＧａＮウエハは導電性を有しており、例えばｎ型を示す。これらのＧａＮウエハ上にＧａＮ膜を成長した。エピタキシャル基板の作製では以下に示す成膜条件を用いた。
トリメチルガリウム（ＴＭＧ）の流量：５６ｓｃｃｍ（３２０μｍｏｌ／分）
アンモニア（ＮＨ_３）の流量：９ｓｌｍ（０．４ｍｏｌ／分）
サセプタ温度：摂氏１０５０度
炉内圧力：２００Ｔｏｒｒ
キャリアガス流量：１１ｓｌｍ
２段希釈によるシラン（２ｐｐｍ）の流量：０．４ｓｃｃｍ。

また、上記の成膜条件を適用する成長炉では、原料ガスは、チャンバの供給孔から供給され、残余の原料ガス及び反応生成物はチャンバの排気孔から排気される。原料ガスは、チャンバの上流から下流に流れる。チャンバ内のサセプタは、上流から下流へのガス流路に設けられている。このサセプタは、ＳｉＣでコートされたカーボン製であり、さらに、サセプタの表面上には緻密な窒化ガリウムを堆積して、サセプタにＧａＮコートを施した。このサセプタよりも上流には、ステンレス製の治具を用いており、石英製治具を配置しなかった。浅いドナーである酸素のコンタミネーションを低減するために、ＧａＮ膜の成長に先立って、及び／又はＧａＮ成膜完了毎に、以下のように成長炉の清掃を行った。成長炉の清掃は、乾燥窒素で満たされたグローブボックス内で行った。また、グローブボックス内には、掃除機といったクリーナーを持ち込み、チャンバが大気にさらされることを避けた。

図３は、ＧａＮ膜の有効キャリア濃度とＧａＮウエハ主面のオフ角との関係を示す図面である。０．０５度ピッチで０．０５度から０．６度までの角度範囲のオフ角を有するＧａＮウエハを準備した。オフ角が０．３度以上であるとき、有効キャリア濃度のオフ角に対する依存性は十分に小さい。ＧａＮウエハ主面のオフ角が０．３度以上であるとき、有効キャリア濃度は５．２×１０^１５ｃｍ^−３である。ＧａＮウエハ主面の全体にわたって分布するオフ角が０．３度以上であるとき、キャリア補償を低減可能であると共にキャリア濃度を制御可能なＧａＮを成膜できる。

有効キャリア濃度の見積もりは例えばＣ−Ｖ法を用いて行った。ＧａＮ膜中においてシリコンは浅いドナーとして働くので、常温で、濃度ＮＤのほぼ全てのドナーがイオン化している。Ｃ−Ｖ法を用いてＧａＮ膜中の有効ドナー濃度ＮＤ_ｅｆｆを測定して、その値を有効キャリア濃度として用いた。ＧａＮウエハ主面のオフ角が０．４度以上であるとき、有効キャリア濃度は５．７×１０^１５ｃｍ^−３である。オフ角が０．４度以上であるとき、有効キャリア濃度のオフ角に対する依存性はさらに小さい。オフ角が０．５度以上であるとき、有効キャリア濃度は５．８×１０^１５ｃｍ^−３である。オフ角が０．５度以上であるとき、有効キャリア濃度はオフ角に対してほとんど依存しない。

本実施例では、六方晶系ＧａＮのｃ面から傾斜したＧａＮ主面上に、ＧａＮを堆積した。このとき、結晶の安定面であるファセット面（この実施例では、例えば（０００１））では、下地結晶の未結合のボンド（ダングリングボンド）が少ない。基板主面がファセット面から傾斜しているとき、成長面には、テラス部（ｌｅｄｇｅ）とステップ部（ｋｉｎｋ）が現れる。テラス部には、ファセット面と同様にダングリングボンド密度が少なく、テラス部に吸着する原子は、結晶を構成する原子の種類にあまり依存しない。これ故に、気相中の様々な原子が付着できる。一方、ステップ部には、ダングリングボンド密度が高く、ステップ部のダングリングボンドの向きは、結晶構造を反映する配位に対応しているので、結晶の構成原子が優先的に取り込まれやすい。微小なオフ角のＧａＮ面では、基板主面に占めるテラス部の面積の割合が多く、これ故に、補償する不純物の炭素が取り込まれやすい。ところが、ある程度大きなオフ角のＧａＮ面では、基板主面におけるステップ密度が高くなり、結晶の構成原子が取り込まれやすくなる一方では、補償する不純物の炭素が取り込まれ難くなる。また、オフ角付きのＧａＮ面で、ステップフロー成長が促進されるので、三次元成長による結晶欠陥の発生が低減される。これ故に、ＧａＮ中のトラップ密度が低減される。

また、図４は、ＧａＮ膜の移動度とＧａＮウエハ主面のオフ角との関係を示す図面である。ＧａＮ膜の移動度は、オフ角０．３度以上の範囲で１０００ｃｍ^２Ｖ^−１ｓｅｃ^−１を以上である。また、ＧａＮ膜の移動度は、オフ角０．４度以上の範囲で１１５０ｃｍ^２Ｖ^−１ｓｅｃ^−１以上である。オフ角０．５度以上の範囲（例えば０．５０度、０．５５度、０．６０度）では、ＧａＮ膜の移動度は、１１５０ｃｍ^２Ｖ^−１ｓｅｃ^−１以上１２００ｃｍ^２Ｖ^−１ｓｅｃ^−１以下の範囲にあり、大きな値を有すると共にオフ角に対してほとんど依存しない。

１×１０^１６ｃｍ^−３以下のキャリア濃度範囲において移動度の見積もりは以下のように行った。異なる厚みのＧａＮエピタキシャル膜の抵抗を測定して、膜厚と抵抗値との線形関係の傾きから、ＧａＮエピタキシャル膜の抵抗率（導電率）を求めた。この測定とは別に、ＧａＮエピタキシャル膜の有効キャリア濃度を求めた。以下の関係式
（導電率）＝（電子の電気素量）×（有効キャリア濃度）×（移動度）
を用いて、上記の測定値から移動度を算出した。

（実施例２）
いくつかの転位密度を有する複数のＧａＮウエハを準備し、ＧａＮウエハ主面における転位密度は溶融水酸化カリウムエッチング法により同定した。これらのＧａＮウエハ上にＧａＮ膜を成長した。エピタキシャル基板の作製では、実施例１と同じ成膜条件を用いた。

図５は、ＧａＮ膜の有効キャリア濃度とＧａＮウエハ主面の転位密度との関係を示す図面である。転位密度が１×１０^＋８ｃｍ^−２より大きいとき、転位密度に対する有効キャリア濃度の依存性が大きい。しかしながら、転位密度が１×１０^＋８ｃｍ^−２以下であるとき、有効キャリア密度の変化は１×１０^１５ｃｍ^−３未満の範囲にあり、有効キャリア密度は転位密度に対して小さい依存性を示す。さらに、転位密度が１×１０^＋７ｃｍ^−２以下であるとき、有効キャリア密度は６×１０^１５ｃｍ^−３未満５×１０^１５ｃｍ^−３より大きい範囲にあり、有効キャリア密度は転位密度にほとんど依存しない。

（実施例３）
異なるＳｉ濃度を有するＴＭＧを準備し、これらのＧａＮウエハ上にＧａＮ膜を成長した。ＴＭＧ中のＳｉ濃度は発光分光分析法により同定した。エピタキシャル基板の作製では、ＴＭＧを除いて、実施例１と同じ成膜条件を用いた。

図６は、ＧａＮ膜の有効キャリア濃度とＧａＮウエハ主面の転位密度との関係を示す図面である。１０ｐｐｂのＳｉ不純物を含むＴＭＧを用いるＧａＮ成膜では、有効キャリア濃度１×１０^１６ｃｍ^−３を達成できない。７ｐｐｂのＳｉ不純物を含むＴＭＧを用いるＧａＮ成膜では、有効キャリア濃度１×１０^１６ｃｍ^−３を達成できた。５ｐｐｂのＳｉ不純物を含むＴＭＧを用いるＧａＮ成膜では、１×１０^１６ｃｍ^−３以下の有効キャリア濃度を制御して達成できた。３ｐｐｂのＳｉ不純物を含むＴＭＧを用いるＧａＮ成膜では、有効キャリア濃度を１×１０^１５ｃｍ^−３近くまで低減できた。１ｐｐｂのＳｉ不純物を含むＴＭＧを用いるＧａＮ成膜では、有効キャリア濃度を１×１０^１５ｃｍ^−３以下に低減できた。この不純物範囲では、ＧａＮ膜中の有効キャリア濃度を精密に制御することができる。

（実施例４）
ｎ型ドーパントを加えた原料ガスを成長炉に供給して、ＧａＮウエハ上にＧａＮ膜を成長した。例えば２段希釈法を用いてｎ型ドーパントガス供給の制御を行った。このために、マスフローコントローラを２段にカスケード接続してｎ型ドーパントガス（モノシランガス）を希釈することによって０．６ｐｐｍ以下０．０５ｐｐｍ以上の濃度範囲においてｎ型ドーパントを希釈した後に、原料ガスと一緒に成長炉に供給した。エピタキシャル基板の作製では、シランの添加を除いて、実施例１と同じ成膜条件を用いた。

図７は、希釈されたシランの供給量とＧａＮ膜中のキャリア濃度との関係を示す図面である。多段希釈法によりｎ型ドーパントガスを希釈して高純度の有機ガリウム原料に添加することによって、１．３×１０^１６ｃｍ^−３以下１×１０^１４ｃｍ^−３以上の範囲において、希釈シランガスの流量に比例してキャリア濃度を制御できる。これは、低い真性キャリア濃度と低いキャリア補償とに因るものである。例えば希釈シランガスの流量がゼロであるとき、有効キャリア濃度１×１０^１４ｃｍ^−３を達成できる。

図８は、図７に示された近似的な線形関係を利用して、１×１０^１６ｃｍ^−３以下のキャリア濃度の範囲でキャリア濃度を制御して窒化ガリウムエピタキシャル膜を形成する方法における主要な工程を示す図面である。

工程Ｓ２０１では、窒化ガリウム基板を準備する。工程Ｓ２０２では、窒化ガリウム基板を成長炉に配置した後に、希釈されたｎ型ドーパント、有機ガリウム原料及び窒素原料を成長炉に供給して、窒化ガリウムエピタキシャル膜を窒化ガリウム基板の主面上に成長する。有機ガリウム原料におけるＳｉ含有量は５ｐｐｂ以下である。工程Ｓ２０３では、別の窒化ガリウム基板の準備と、前記別の窒化ガリウム基板の主面上への別の窒化ガリウムエピタキシャル膜の成長とを希釈されたｎ型ドーパントの供給量を変更して、繰り返す。工程Ｓ２０４では、窒化ガリウムエピタキシャル膜及び別の窒化ガリウムエピタキシャル膜のキャリア濃度を見積もると共に、１×１０^１６ｃｍ^−３以下のキャリア濃度の範囲において、該キャリア濃度とｎ型ドーパントの供給量との関係を一次式で近似する近似式を導き出す。この導出は、例えば最小自乗法を用いて行われる。工程Ｓ２０５では、この近似式を参照して、所望のキャリア濃度を提供するｎ型ドーパントの供給量を決定する。工程Ｓ２０６では、更なる別の窒化ガリウム基板を準備する。工程Ｓ２０７では、更なる別の窒化ガリウム基板を成長炉に配置した後に、決定された供給量のｎ型ドーパント、有機ガリウム原料及び窒素原料を前記成長炉に供給して、更なる別の窒化ガリウムエピタキシャル膜を更なる別の窒化ガリウム基板の主面上に成長する。窒化ガリウム基板、別の窒化ガリウム基板及び更なる別の窒化ガリウム基板の各々は、１×１０^８ｃｍ^−２以下の転位密度を有する。また、窒化ガリウム基板、別の窒化ガリウム基板及び更なる別の窒化ガリウム基板の各主面の法線は窒化ガリウムのｃ軸と０．３度以上の角度を成す。これらの工程によれば、窒化ガリウム系半導体電子デバイス及びエピタキシャル基板を作製できる。窒化ガリウムエピタキシャル膜、別の窒化ガリウムエピタキシャル膜及び更なる別の窒化ガリウムエピタキシャル膜の各々は１×１０^１６ｃｍ^−３以下のキャリア濃度を有する。窒化ガリウムエピタキシャル膜、別の窒化ガリウムエピタキシャル膜及び更なる別の窒化ガリウムエピタキシャル膜の各々はドナー及びアクセプタを含む。ドナーはシリコンを含む。シリコンの濃度は１×１０^１６ｃｍ^−３以下であり、アクセプタの濃度は３×１０^１５ｃｍ^−３以下である。

次いで、窒化ガリウム系半導体電子デバイス及びその作製方法を説明する。

再び図１を参照する。工程Ｓ１０１、Ｓ１０３、Ｓ１０４、Ｓ１０６、Ｓ１０７によって作製されたエピタキシャル基板Ｅ上には、工程Ｓ１０７においてアノード電極１５ａが形成される。アノード電極１５ａは、窒化ガリウムエピタキシャル膜１３の主面１３ａにショットキ接合１７ａを成し、例えばＡｕ／Ｔｉ等からなることができる。窒化ガリウム基板１１の裏面１１ｂ上にはオーミック電極１５ｂが形成される。オーミック電極１５ｂはカソード電極であり、例えばＴｉ／Ａｕ等からなることができる。これらの工程によって、窒化ガリウム系半導体電子デバイスが作製される。この窒化ガリウム系半導体電子デバイスは、図９（ａ）に示されるように、ショットキダイオードＤ_ＳＨを含む。ショットキダイオードＤ_ＳＨは、窒化ガリウム基板１１を切断して作製された窒化ガリウム支持基体１２と、窒化ガリウム支持基体１２の主面上１２ａに設けられた半導体積層とを含む。本デバイスでは、半導体積層は窒化ガリウムエピタキシャル膜１３からなる。窒化ガリウムエピタキシャル膜１３は窒化ガリウム支持基体１２とホモ接合１７ｂを成す。このショットキダイオードＤ_ＳＨによれば、１×１０^１６ｃｍ^−３以下のキャリア濃度において、デバイス特性に応じて、窒化ガリウムエピタキシャル膜１３のキャリア濃度が調整可能である。

また、図１０（ａ）に示されるように、工程Ｓ１０５は、工程Ｓ１０８を含むことができる。工程Ｓ１０８では、窒化ガリウムエピタキシャル膜１３の成膜に引き続き、窒化ガリウムエピタキシャル膜１３上に別の窒化ガリウムエピタキシャル膜１９を成長する。窒化ガリウムエピタキシャル膜１９は窒化ガリウムエピタキシャル膜１３の導電型と反対の導電型を有する。窒化ガリウムエピタキシャル膜１３は窒化ガリウムエピタキシャル膜１９とｐｎ接合２１ａを成す。窒化ガリウム基板１１がｎ型ＧａＮからなると共に窒化ガリウムエピタキシャル膜１９がｎ型ＧａＮからなるとき、このｐ型ＧａＮはＭｇドープされている。工程Ｓ１０１、Ｓ１０３、Ｓ１０４、Ｓ１０５（Ｓ１０８）、Ｓ１０６、Ｓ１０７によって作製されたエピタキシャル基板Ｅ上には、工程Ｓ１０７においてアノード電極１５ｃが形成される。アノード電極１５ｃは、窒化ガリウムエピタキシャル膜１９の主面１９ａにオーミック接合２１ｂを成し、例えばＡｕ／Ｔｉ等からなることができる。窒化ガリウム基板１１の裏面１１ｂ上にはオーミック電極１５ｂが形成される。これらの工程によって、窒化ガリウム系半導体電子デバイスが作製される。この窒化ガリウム系半導体電子デバイスは、図９（ｂ）に示されるように、ｐｎ接合ダイオードＤ_ＰＮを含む。ｐｎ接合ダイオードＤ_ＰＮは、窒化ガリウム基板１１を分割して作製された窒化ガリウム支持基体１２と、窒化ガリウム支持基体１２の主面上１２ａに設けられた半導体積層とを含む。本デバイスでは、半導体積層は、窒化ガリウムエピタキシャル膜（例えばアンドープｎ型ＧａＮ膜）１３及び窒化ガリウムエピタキシャル膜（例えばＭｇドープｐ型ＧａＮ膜）１９からなる。窒化ガリウムエピタキシャル膜１３は窒化ガリウム支持基体１２とホモ接合１７ｂを成す。ｐｎ接合２１ａは、窒化ガリウムエピタキシャル膜１３、１９からなるホモ接合である。このｐｎ接合ダイオードＤ_ＰＮによれば、１×１０^１６ｃｍ^−３以下のキャリア濃度において、デバイス特性に応じて、窒化ガリウムエピタキシャル膜１３のキャリア濃度が調整可能である。

さらに、図１０（ｂ）に示されるように、工程Ｓ１０５は、工程Ｓ１０９を含むことができる。工程Ｓ１０９では、窒化ガリウムエピタキシャル膜１３の成膜に引き続き、窒化ガリウムエピタキシャル膜１３の加工及び追加の窒化ガリウム系半導体の堆積を行う。例えば、先ず、ウエル領域２３を規定する第１のマスクを窒化ガリウムエピタキシャル膜１３の主面１３ａ上に形成する。第１のマスクを用いてドライエッチングにより窒化ガリウムエピタキシャル膜１３に開口を形成すると共に、第１のマスクを用いて、ウエル領域２３のためのウエル半導体を開口内に選択的に堆積する。第１のマスクを除去した後に、ソース領域２５を規定する第２のマスクを窒化ガリウムエピタキシャル膜１３及びウエル半導体上に形成する。第２のマスクを用いてドライエッチングによりウエル半導体に開口を形成すると共に、第２のマスクを用いて、ソース領域２５のための半導体を開口内に選択的に堆積する。これらの工程によって、ウエル領域２３及びソース領域２５が窒化ガリウムエピタキシャル領域１６に形成される。窒化ガリウムエピタキシャル領域１６は、ドリフト領域（以下「ドリフト領域１６」として参照する）である。ウエル領域２３はソース領域２５をドリフト領域１６から離しており、これによってソース領域２５はウエル領域２３から電気的に分離される。ウエル領域２３の一端は、エピタキシャル基板Ｅ_ＦＥＴの表面に現れている。ソース領域２５は、ドリフト領域１６と同じ導電型を有し、ウエル領域２３と反対の導電型を有する。ドリフト領域１６とウエル領域２３とはｐｎ接合１７ｃを構成し、ソース領域２５とウエル領域２３とはｐｎ接合１７ｄを構成する。

工程Ｓ１０１、Ｓ１０３、Ｓ１０４、Ｓ１０５（Ｓ１０９）、Ｓ１０６、Ｓ１０７によって作製されたエピタキシャル基板Ｅ上には、第２のマスクを除去した後に、ウエル領域２３上に絶縁膜２７を形成する。絶縁膜２７は例えばアルミニウム酸化物、ＳｉＮ等からなることができる。この後に、工程Ｓ１０７において、電極を形成する。電極の形成では、ウエル領域２３及び絶縁膜２７上にゲート電極１７ｄが形成されると共に、ソース領域２５上にソース電極１５ｅが形成される。既に説明したように、窒化ガリウム支持基体１２の裏面には、ドレイン電極として働くオーミック電極１５ｂが形成される。この窒化ガリウム系半導体電子デバイスは縦型ＭＩＳトランジスタＤ_ＦＥＴである。この縦型ＭＩＳトランジスタＤ_ＦＥＴによれば、１×１０^１６ｃｍ^−３以下のキャリア濃度において、デバイス特性に応じて、窒化ガリウムエピタキシャル膜１３のキャリア濃度が調整可能である。

上記の窒化ガリウム系半導体電子デバイスでは、窒化ガリウムエピタキシャル膜から形成された半導体領域の移動度は１０００ｃｍ^２Ｖ^−１ｓｅｃ^−１以上であることができる。これ故に、この窒化ガリウム系半導体電子デバイスに低いオン抵抗が提供される。

好適な実施の形態において本発明の原理を図示し説明してきたが、本発明は、そのような原理から逸脱することなく配置および詳細において変更され得ることは、当業者によって認識される。本発明は、本実施の形態に開示された特定の構成に限定されるものではない。したがって、特許請求の範囲およびその精神の範囲から来る全ての修正および変更に権利を請求する。

図１は、本実施の形態に係る窒化ガリウム系半導体電子デバイス及びエピタキシャル基板を作製する方法における主要な工程を示す図面である。 図２は、エピタキシャル基板を作製する方法における主要な工程を示す図面である。 図３は、ＧａＮ膜の有効キャリア濃度とＧａＮウエハ主面のオフ角との関係を示す図面である。 図４は、ＧａＮ膜の移動度とＧａＮウエハ主面のオフ角との関係を示す図面である。 図５は、ＧａＮ膜の有効キャリア濃度とＧａＮウエハ主面の転位密度との関係を示す図面である。 図６は、ＧａＮ膜の有効キャリア濃度とＧａＮウエハ主面の転位密度との関係を示す図面である。 図７は、希釈されたシランの供給量とＧａＮ膜中のキャリア濃度との関係を示す図面である。 図８は、本実施の形態に係る窒化ガリウム系半導体電子デバイス及びエピタキシャル基板を作製する方法における主要な工程を示す図面である。 図９は、いくつかの窒化ガリウム系半導体電子デバイスの構造を概略的に示す図面である。 図１０は、窒化ガリウム系半導体電子デバイスを作製する方法における工程を示す図面である。

符号の説明

１０…成長炉、１１…窒化ガリウム基板、１１ａ…窒化ガリウム基板主面、１１ｂ…窒化ガリウム基板裏面、Ａ_ＯＦＦ…角度、Ｇ１…原料ガス、１２…窒化ガリウム支持基体、１２ａ…窒化ガリウム支持基体主面上、１３…窒化ガリウムエピタキシャル膜、１３ａ…窒化ガリウムエピタキシャル膜主面、１５ａ…アノード電極、１５ｂ…オーミック電極、１６…窒化ガリウムエピタキシャル領域（ドリフト領域）、１７ａ…ショットキ接合、１７ｃ、１７ｄ…ｐｎ接合、１９…別の窒化ガリウムエピタキシャル膜、２１ａ…ｐｎ接合、２３…ウエル領域、２５…ソース領域、Ｅ…エピタキシャル基板、Ｄ_ＳＨ…ショットキダイオード、Ｄ_ＰＮ…ｐｎ接合ダイオード、Ｅ_ＦＥＴ…エピタキシャル基板、Ｄ_ＦＥＴ…縦型ＭＩＳトランジスタ

Claims (21)

1. 窒化ガリウム系半導体電子デバイスのためのエピタキシャル基板を作製する方法であって、
   窒化ガリウム基板を準備する工程と、
   前記窒化ガリウム基板を成長炉に配置した後に、前記成長炉に有機ガリウム原料及び窒素原料を供給して、１×１０^１６ｃｍ^−３以下のキャリア濃度を有する窒化ガリウムエピタキシャル膜を前記窒化ガリウム基板の主面上に成長する工程と
   を備え、
   前記窒化ガリウム基板の前記主面の法線と前記窒化ガリウム基板のｃ軸との成す角度は０．３度以上であり、
   前記窒化ガリウム基板の転位密度は１×１０^８ｃｍ^−２以下であり、
   前記窒化ガリウムエピタキシャル膜はドナー及びアクセプタを含み、
   前記ドナーはシリコンを含み、
   前記シリコンの濃度は１×１０^１６ｃｍ^−３以下であり、
   前記アクセプタの濃度は３×１０^１５ｃｍ^−３以下である、ことを特徴とする方法。
2. 前記有機ガリウム原料と前記窒素原料との供給モル比（［Ｖ］／［III］）は１２５０以上であり、
   前記窒化ガリウムエピタキシャル膜の成長温度は摂氏１０５０度以上であり、
   前記成長炉の圧力は２００Ｔｏｒｒ以上である、ことを特徴とする請求項１に記載された方法。
3. 前記有機ガリウム原料におけるＳｉ含有量は５ｐｐｂ以下である、ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載された方法。
4. 前記有機ガリウム原料におけるＳｉ含有量は１ｐｐｂ以下であり、
   前記窒化ガリウムエピタキシャル膜のキャリア濃度は５×１０^１５ｃｍ^−３以下である、ことを特徴とする請求項1〜請求項３のいずれか一項に記載された方法。
5. 前記窒化ガリウムエピタキシャル膜の成長は、ｎ型ドーパントガスを前記成長炉に供給することなく行われ、
   前記窒化ガリウムエピタキシャル膜はアンドープである、ことを特徴とする請求項1〜請求項４のいずれか一項に記載された方法。
6. 前記窒化ガリウムエピタキシャル膜の成長は、前記有機ガリウム原料及び前記窒素原料とは別にｎ型ドーパントを前記成長炉に供給しながら行われ、
   前記ｎ型ドーパントは、シラン系化合物、有機シリコン化合物、酸素及びゲルマンの少なくともいずれかを含み、
   前記ｎ型ドーパントは、キャリアガスを用いて５ｐｐｍ以下に希釈された後に、前記成長炉に供給されており、
   前記キャリアガスは、水素、窒素及び希ガスの少なくともいずれかを含む、ことを特徴とする請求項1〜請求項５のいずれか一項に記載された方法。
7. 前記希釈は多段希釈法を用いて行われる、ことを特徴とする請求項７に記載された方法。
8. 前記窒化ガリウムエピタキシャル膜の移動度は１０００ｃｍ^２Ｖ^−１ｓｅｃ^−１以上である、ことを特徴とする請求項1〜請求項７のいずれか一項に記載された方法。
9. 窒化ガリウム系半導体電子デバイスのためのエピタキシャル基板であって、
   窒化ガリウム基板と、
   前記窒化ガリウム基板の前記主面上に設けられ、１×１０^１６ｃｍ^−３以下のキャリア濃度を有する窒化ガリウムエピタキシャル膜と
   を備え、
   前記窒化ガリウム基板の前記主面の法線と前記窒化ガリウム基板のｃ軸との成す角度は０．３度以上であり、
   前記窒化ガリウム基板の転位密度は１×１０^８ｃｍ^−２以下であり、
   前記窒化ガリウムエピタキシャル膜はドナー及びアクセプタを含み、
   前記ドナーはシリコンを含み、
   前記シリコンの濃度は１×１０^１６ｃｍ^−３以下であり、
   前記アクセプタの濃度は３×１０^１５ｃｍ^−３以下である、ことを特徴とするエピタキシャル基板。
10. 前記窒化ガリウムエピタキシャル膜の厚さは３マイクロメートル以上である、ことを特徴とする請求項９に記載されたエピタキシャル基板。
11. 前記アクセプタは炭素を含む、ことを特徴とする請求項９または請求項１０に記載されたエピタキシャル基板。
12. 前記アクセプタの濃度は１×１０^１５ｃｍ^−３以下である、ことを特徴とする請求項９〜請求項１１のいずれか一項に記載されたエピタキシャル基板。
13. 前記窒化ガリウムエピタキシャル膜の移動度は１０００ｃｍ^２Ｖ^−１ｓｅｃ^−１以上である、ことを特徴とする請求項９〜請求項１２のいずれか一項に記載されたエピタキシャル基板。
14. 前記窒化ガリウムエピタキシャル膜の前記キャリア濃度は５×１０^１５ｃｍ^−３以下であり、
    前記シリコンの濃度は５×１０^１５ｃｍ^−３以下であり、
    前記アクセプタの濃度は前記シリコンの濃度の０．３倍以下である、ことを特徴とする請求項９〜請求項１３のいずれか一項に記載されたエピタキシャル基板。
15. 窒化ガリウム系半導体電子デバイスを作製する方法であって、
    窒化ガリウム基板を準備する工程と、
    前記窒化ガリウム基板を成長炉に配置した後に、前記成長炉に有機ガリウム原料及び窒素原料を供給して、１×１０^１６ｃｍ^−３以下のキャリア濃度を有する窒化ガリウムエピタキシャル膜を前記窒化ガリウム基板の主面上に成長する工程と
    を備え、
    前記窒化ガリウム基板の前記主面の法線と前記窒化ガリウム基板のｃ軸との成す角度は０．３度以上であり、
    前記窒化ガリウム基板の転位密度は１×１０^８ｃｍ^−２以下であり、
    前記窒化ガリウムエピタキシャル膜はドナー及びアクセプタを含み、
    前記ドナーはシリコンを含み、
    前記シリコンの濃度は１×１０^１６ｃｍ^−３以下であり、
    前記アクセプタの濃度は３×１０^１５ｃｍ^−３以下である、ことを特徴とする方法。
16. 窒化ガリウム系半導体電子デバイスであって、
    窒化ガリウム支持基体と、
    前記窒化ガリウム支持基体の主面上に設けられ、一又は複数の窒化ガリウム系半導体層を含む半導体積層と
    を備え、
    前記半導体積層は、１×１０^１６ｃｍ^−３以下のキャリア濃度を有する窒化ガリウムエピタキシャル領域を含み、
    前記窒化ガリウムエピタキシャル領域は前記窒化ガリウム支持基体とホモ接合を成し、
    前記窒化ガリウム支持基体の前記主面の法線と前記窒化ガリウム基板のｃ軸との成す角度は０．３度以上であり、
    前記窒化ガリウム支持基体の転位密度は１×１０^８ｃｍ^−２以下であり、
    前記窒化ガリウムエピタキシャル膜はドナー及びアクセプタを含み、
    前記ドナーはシリコンを含み、
    前記シリコンの濃度は１×１０^１６ｃｍ^−３以下であり、
    前記アクセプタの濃度は３×１０^１５ｃｍ^−３以下である、ことを特徴とする窒化ガリウム系半導体電子デバイス。
17. 前記半導体積層の前記窒化ガリウムエピタキシャル領域にショットキ接合を成す電極を更に備え、
    当該窒化ガリウム系半導体電子デバイスはショットキダイオードを含む、ことを特徴とする請求項１６に記載された窒化ガリウム系半導体電子デバイス。
18. 前記窒化ガリウムエピタキシャル領域上に設けられた別の窒化ガリウムエピタキシャル領域と、
    前記半導体積層の前記窒化ガリウムエピタキシャル領域にオーミック接合を成す電極と
    を更に備え、
    前記別の窒化ガリウムエピタキシャル領域は前記窒化ガリウムエピタキシャル領域の導電型と反対の導電型を有しており、
    前記窒化ガリウムエピタキシャル領域は前記別の窒化ガリウムエピタキシャル領域とｐｎ接合を成し、
    当該窒化ガリウム系半導体電子デバイスはｐｎ接合ダイオードを含む、ことを特徴とする請求項１６に記載された窒化ガリウム系半導体電子デバイス。
19. 第１の窒化ガリウム系半導体からなるソース領域と、
    第２の窒化ガリウム系半導体からなるウエル領域と、
    前記ウエル領域上に設けられた絶縁膜と、
    前記ウエル領域の表面及び前記絶縁膜上に設けられたゲート電極と、
    前記ソース領域の表面上に設けられたソース電極と、
    前記窒化ガリウム支持基体の裏面に設けられたドレイン電極と
    を備え、
    前記窒化ガリウムエピタキシャル領域はドリフト領域であり、
    前記ソース領域は前記ウエル領域によって前記ドリフト領域から隔置され、
    当該窒化ガリウム系半導体電子デバイスは縦型ＭＩＳトランジスタを含む、ことを特徴とする請求項１６に記載された窒化ガリウム系半導体電子デバイス。
20. 前記窒化ガリウムエピタキシャル領域の移動度は１０００ｃｍ^２Ｖ^−１ｓｅｃ^−１以上である、ことを特徴とする請求項１６〜請求項１９のいずれか一項に記載された窒化ガリウム系半導体電子デバイス。
21. 窒化ガリウム系半導体電子デバイスのためのエピタキシャル基板を作製する方法であって、
    窒化ガリウム基板を準備する工程と、
    希釈されたｎ型ドーパント、有機ガリウム原料及び窒素原料を成長炉に供給して、窒化ガリウムエピタキシャル膜を前記窒化ガリウム基板の主面上に成長する工程と、
    一又は複数の別の窒化ガリウム基板の準備と、前記希釈されたｎ型ドーパントの供給量を変更して、前記別の窒化ガリウム基板の主面上への別の窒化ガリウムエピタキシャル膜の成長とを繰り返す工程と、
    前記窒化ガリウムエピタキシャル膜及び前記別の窒化ガリウムエピタキシャル膜のキャリア濃度を見積もると共に、１×１０^１６ｃｍ^−３以下のキャリア濃度の範囲において、該キャリア濃度と前記ｎ型ドーパントの供給量との関係を近似する一次式を得る工程と、
    前記一次式を参照して、所望のキャリア濃度を提供するｎ型ドーパントの供給量を決定する工程と、
    更なる別の窒化ガリウム基板を準備する工程と、
    前記決定された供給量のｎ型ドーパント、有機ガリウム原料及び窒素原料を成長炉に供給して、更なる別の窒化ガリウムエピタキシャル膜を前記更なる別の窒化ガリウム基板の主面上に成長する工程と
    を備え、
    前記有機ガリウム原料におけるＳｉ含有量は５ｐｐｂ以下であり、
    前記窒化ガリウム基板、別の窒化ガリウム基板及び更なる別の窒化ガリウム基板の各々は、１×１０^８ｃｍ^−２以下の転位密度を有し、
    前記窒化ガリウム基板、別の窒化ガリウム基板及び更なる別の窒化ガリウム基板の各主面の法線は窒化ガリウムのｃ軸と０．３度以上の角度を成し、
    前記窒化ガリウムエピタキシャル膜、前記別の窒化ガリウムエピタキシャル膜、及び前記更なる別の窒化ガリウムエピタキシャル膜の各々は１×１０^１６ｃｍ^−３以下のキャリア濃度を有し、
    前記窒化ガリウムエピタキシャル膜、別の窒化ガリウムエピタキシャル膜及び更なる別の窒化ガリウムエピタキシャル膜の各々はドナー及びアクセプタを含み、
    前記ドナーはシリコンを含み、
    前記シリコンの濃度は１×１０^１６ｃｍ^−３以下であり、
    前記アクセプタの濃度は３×１０^１５ｃｍ^−３以下である、ことを特徴とする方法。

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